태양 전지란?

안녕하세요~흥미롭고 재미있는 과학의 흥. 재. 과입니다!

 

태양광 에너지는 신재생 에너지로 각광받고 있는 에너지이며

무한한 자원과 친환경이라는 장점으로 인해

화석연료 사용량을 줄이고 탄소배출 저감을 통해

미래에도 지속가능한 에너지원으로 여겨지고 있습니다.

 

태양광 에너지를 사용하는 기술은 지금으로부터 무려 약 190년 전인

1839년 프랑스의 물리학자 에드먼드 베크렐(Edmond Becquerel)이

빛에너지를 이용한 광전효과를 발견하면서 시작하였는데요!

 

오늘은 태양광 에너지의 원리와 산업, 그리고 도전과제에 대해 알아보겠습니다!

 

태양 전지

 

태양광 패널을 사용하는 주거단지

 

1. 태양열 전지

 

태양 전지는 말 그대로 태양 에너지를 전기에너지로 변환하는 원리를 사용한 전지입니다.

 

태양 전지는 크게 '태양열 전지'와 '태양광 전지' 두 개로 나뉘는데요!

 

태양열 전지는 말 그대로 태양열을 이용하여 물을 끓이고

끓는 물의 증기를 이용하여 터빈을 돌리게 됩니다.

이 회전하는 터빈이 발전기를 작동시켜 전기를 생산하게 되는 것이죠!

하지만, 태양열 전지는 발전효율이 태양광 전지에 비해 낮다는 단점이 있습니다.

 

 

2. 태양광 전지

 

태양광 전지는 태양 광선(빛)을 이용하여 빛에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치입니다!

상업, 공업, 주거 용으로 흔히 쓰이는 태양광 패널이 이에 해당하는데요.

 

'광전효과'라고 하는 빛의 입자성을 이용한 원리를 사용하여 전기를 생산하는데

이 원리를 설명함으로써  아인슈타인은 1921년 노벨물리학상을 받기도 하였습니다.

 

※ 광전효과

금속 물질에 빛을 쪼이면 빛의 입자(광자)에 의해 금속 전자와 충돌하게 되고

이때, 금속의 제일 바깥쪽 전자가 튀어나오게 되는 현상

 

실리콘 태양전지

 

현재 대부분의 태양광 전지는 실리콘 반도체 소재를 사용하고 있는데요.

이 실리콘 소재에 갈륨 혹은 인과 같은 물질을 합성하여 구멍이 많은 P형 반도체와

안티몬이나 비소와 같은 물질을 합성하여 전자가 많은 N형 반도체를 만드는 데요.

 

이 두 가지 형태의 반도체를 합쳐 전류를 흘려주게 되면

'광전효과'에 의해서 N형 반도체의 바깥쪽의 전자들이 나오게 됩니다.

이 전자들은 구멍이 많은(양공) P형 반도체와 결합하게 되는데요.

 

이때 전자와 양공이 없어 전기 전도가 되지 않는 '공핍 영역(Depletion Zone)'

이라고 하는 하나의 층이 생기게 됩니다.

 

N형 반도체는 전자를 주었으니 양극(+)을 띄게 되고

P형 반도체는 전자를 받았으니 음극(-)을 띄며

N형과 P형 사이의 전기적인 차이 즉, 전위차를 갖게 됨으로써

N형 → P형으로 전류가 흐르게 되고 이것이 반복되면서 전기에너지가 생성되는 것입니다!

 

페로브스카이트를 활용한 유연한 전지

 

유기물 태양전지

 

대표적인 유기물 태양 전지 소재로는 페로브스카이트가 있습니다.

페로브스카이트는 1839년 러시아 우랄 산맥에서 발견된 하나의 광물인데요.

이 페로브스카이트는 실리콘 소재와 유사한 특성을 가졌습니다.

 

하여 2009년 태양 전지로서의 개발을 시작으로

초기 개발 단계 2012년 광전변환 효율 9% 이후

한국화학연구원과 MIT의 협업으로 광전변환 효율 25% 이상을 달성하였습니다.

 

이는 현재 약 50년간 개발과 양산이 이루어진 실리콘 태양 전지 효율 27%를

약 10년 만에 거의 따라잡은 수치인데요!

 

※ 페로브스카이트 소재의 장점

- 전기전도성이 뛰어나다.

- 실리콘 보다 가볍고 두께가 얇으며 유연하다

- 실리콘보다 가격 비용이 약 3분의 1 정도 저렴하다

-  제조 공정이 간단하고 대량 생산이 쉽다.

 

하지만 페로브스카이트는 여전히 실리콘만큼의 광전변환 효율이 미치지 못하고

얇고 가벼운 만큼 내구성이 취약하기에 상용화가 어려운데요.

 

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탠덤 태양전지

 

하여 최근에는 실리콘과 페로브스카이트의 함께 사용하여

두 가지의 장점을 활용한 태양 전지가 주목을 받고 있습니다.

 

실리콘으로 이루어진 태양 전지에 페로브스카이트를 균일하게 코팅하는

방식을 활용하여 효율이 30%를 넘기는 성과를 달성하였습니다.

 

물론 이 탠덤 태양전지 또한 여러 한계점이 존재하는데요.

두 가지 소재의 셀을 결합하기에 여러 특성이 달라 보완하기 까다롭습니다.

 

현재 태양광 기업 중 일부는 탠덤 태양전지 기술 개발에 주력하고 있습니다.

단일 소재 태양전지보다 향상된 효율을 달성하고, 양산 설비를 구축하는 등

친환경적 전기에너지 생산을 위해 계속해서 진보하고 있습니다!

 

태양 전지는 친환경적 에너지 솔루션으로 끊임없이 개발되어 왔고

미래에는 효율성 향상과 생산비용의 감소로 다양한 분야에서

에너지의 새로운 패러다임을 기대하게 해주는 자원입니다!

 

한국은 세계적으로 태양 전지 기술분야에서 최고 수준으로 인정받고 있으며

소재 및 기술 개발에서도 선도적으로 참여하고 있기에

글로벌 태양광 산업에서 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다!

 

 

이상 흥. 재. 과였습니다!